基于微脉冲激光雷达的上海浦东地区不同强度霾研究

利用微脉冲激光雷达(MPL)对上海浦东2008年12月1日至2010年11月31日期间连续观测的霾期间气溶胶的消光特性进行分析,讨论了上海浦东地区不同强度霾和无霾时气溶胶的垂直分布日变化与季节变化.结果表明,重、中度霾的气溶胶主要分布在500m以下,小时平均消光系数值在0~1.2km-1范围内波动;轻度霾及轻微霾时段,小时平均消光系数波动范围约在0~0.5km-1;无霾时段小时平均消光系数波动范围约在0~0.2km-1;中-重度霾时段消光系数春>冬>夏>秋;夏季低层大气消光较大,春季高层大气消光较大,冬秋两季随高度增加消光逐渐减小;夏冬两季较易发生中、重度霾.     

大气气溶胶多层结构的激光雷达探测

目的探测大气气溶胶的垂直分布,表征气溶胶的垂直结构和各层气溶胶的性质。方法使用金华站点激光雷达观测数据进行个例分析,用梯度法对边界层进行反演,利用退偏振比、颜色比和光学厚度对大气中不同高度的气溶胶层进行分析。结果大气垂直结构会出现多层不同性质的气溶胶层,激光雷达可以准确地探测气溶胶随时间变化的垂直结构特征。选取0点至8点进行分析表明,在1.5km高度上下出现两层气溶胶层,上下两层气溶胶层呈现出不同的性质,且其性质会随时间变化而改变。结论大气边界层以外气溶胶分布较为复杂,利用激光雷达探测的气溶胶消光系数、退偏振比、颜色比和光学厚度等参数能够较好地表征气溶胶的垂直结构和各层气溶胶的性质。     

基于地面微脉冲激光雷达的上海冬季霾强度及高度分析

利用2009—2013年冬季地面气象观测数据筛选出非霾和不同强度霾的影响时次,采用能见度与消光系数的定量关系和冬季波长系数对微霾冲激光雷达反演修正得到的气溶胶消光系数,分析了上海地区气溶胶在垂直高度上的集中范围,当地面出现轻微霾、轻度霾、中度霾、重度霾时气溶胶分别主要集中于近地面0.81、0.49、0.41、0.40 km以下,非霾时气溶胶主要集中在近地面1.35 km以下;在此基础上,根据判别不同强度霾的能见度标准和能见度与消光系数的定量关系,将能见度换算为消光系数,再对微脉冲激光雷达反演消光系数进行修正,从而判断高空霾的强度及所处的高度;另外还探讨了云对产生重度霾的影响、降水与中度霾和重度霾的关系以及颗粒物质量浓度与不同强度霾的关系,发现48.53%的重度霾是受云影响而产生的,37.11%中度霾发生前后伴有降水现象,51.14%的重度霾发生前后伴有降水现象,非霾、轻微霾,轻度霾、中度霾、重度霾期间的颗粒物浓度和细颗粒物占的比例依次增大.     

太湖水体散射特性及其与悬浮物浓度关系模型

水体散射特性与水环境参数如悬浮颗粒及其浓度密切相关.利用Wetlabs公司研制的水体固有光学特性测量系统,于2006-10～2006-11对太湖水体的散射系数和后向散射系数进行了测量.在对水体散射特性分析的基础上,建立了太湖水体颗粒物后向散射系数的光谱模型.此外,利用后向散射率计算水体折射系数,根据折射系数的变化范围,将水中颗粒物的主导因子分为3种类型：①浮游植物主导;②无机颗粒物主导;③两者共同主导.在对散射系数与无机悬浮物、有机悬浮物、总悬浮物浓度相关性分析的基础上,针对颗粒物主导因子的不同,分别建立了散射系数与无机悬浮物浓度的乘幂关系模型.     

徐州冬季雾-霾天颗粒物粒径及气溶胶光学特性变化特征

为研究徐州冬季雾-霾天气形成过程中颗粒物粒径及气溶胶光学特性的变化特征,分析了2014年12月1日～2015年2月28日徐州大气颗粒物质量浓度（PM₁₀、PM_2.5、PM₁）、数浓度（0～1μm、1～2.5μm、2.5～10μm）和气溶胶光学特性等数据.结果表明：0～1μm粒径范围细颗粒物的大量增多是引发徐州冬季雾-霾天气的主要因素,徐州冬季地面风速小（静风或轻风天气）,较高的大气相对湿度对雾-霾的形成和维持起着重要影响作用.持续时间较长的雾霾天气,因颗粒物吸湿增长和水汽附着,1～10μm粒径范围大气颗粒物在雾霾时段易发生沉降而减少,后随相对湿度降低雾霾转为短时间的霾天气,1～10μm颗粒物数浓度大幅上升.徐州冬季500nm波段AOD_total和AOD_{fine mode}具有相同的变化趋势,雾-霾日AOD_total和AOD_{fine mode}显著高于非霾日.AOD_{fine mode}与AOD_{coarse mode}的比值雾-霾日亦明显高于非霾日,而且在雾-霾日Angstrom波长指数主要集中在1～1.6,表明徐州冬季雾-霾时段大气中细颗粒物为主控粒子.     

上海霾与非霾期间大气颗粒物光学特性垂直分布特征和质量浓度对比研究

采用美国国家航空航天局的云-气溶胶激光雷达红外开拓者卫星搭载的正交极化云-气溶胶激光雷达数据产品,包括消光系数、光学厚度、总后向散射系数、体积退偏比和色比,结合地面监测的颗粒物质量浓度,分析上海大气相对湿度小于80%霾发生期间气溶胶光学属性的垂直分布特征和颗粒物质量浓度变化,并与非霾期间进行比较.结果表明:霾期间532 nm和1064 nm消光系数在垂直高度上(海拔:0~10 km)均大于非霾期间,且大多数霾期间颗粒物在整层大气的光学厚度大于非霾期间.在近地面,霾期间大气颗粒物散射能力大于非霾期间.各垂直高度层,霾与非霾期间小粒径和规则气溶胶占主导地位.霾期间近地面大粒径颗粒物在霾期间所占比例大于非霾期间;2.0~4.0 km高度层,霾和非霾期间细颗粒所占比例接近;4.0~10.0 km高度层,霾期间细颗粒气溶胶所占比例大于非霾期间.PM1、PM2.5和PM10质量浓度在霾期间均大于非霾期间,且霾期间细颗粒物所占比例明显增加.颗粒物质量浓度和比值PM1/PM2.5和PM2.5/PM10分别随霾污染程度的加重而升高.冬季颗粒物质量浓度最高,主要来自细颗粒物的贡献;而春季PM10质量浓度高于其它季节.     

气象激光雷达的城市边界层探测

为了研究城市边界层结构变化特征,2005年7月利用气象激光雷达在南京城区做了城市边界层探测试验,就此次观测试验作了简要叙述并选取部分观测资料为示例,着重对气象激光雷达确定城市边界层高度垂直分布及逐时变化以及地面气象环境对边界层的日变化影响进行了初步分析.结果表明,主要由近地层对流混合形成的城市边界层高度具有典型的日变化特点,早晚比较低,日间有一个从低到高再到低的变化过程.提出了一种由边界层混合状态确定边界层高度的方法.分析结果表明,由气溶胶消光系数确定城市边界层高度比较准确.将MSL探测结果与同步的低空无线电探测仪的温度探测结果进行比较,结果表明,两者获得的实际廓线分布相当吻合,线性良好.就地表温度、辐射、湿度及云等气象要素对边界层垂直分布及时间变化的影响做了分析.结果表明,这些气象要素的分布对城市边界层高度的垂直分布及其逐时变化有明显影响.     

基于生物光学模型的晋江悬浮物遥感估算

为了建立以生物光学模型为基础的河流悬浮物遥感估算方法,以福建晋江为例,对福建晋江下游河段的光学特性和悬浮物浓度进行了测定,探讨了水面下反射率R(O-)与悬浮物浓度之间的响应关系.结果表明,绿光波长的反射率与悬浮物浓度的相关性最强,因此,用R(O-)TM2与悬浮物浓度建立了遥感估算模型,并将其应用于2008年2月28日的Landsat TM影像,反演出晋江的悬浮物浓度分布.精度分析说明,平均相对误差RE为11.93%,该模型可以有效地应用于Landsat TM反演悬浮物浓度.     

太湖水体颗粒物散射的剖面分布及其影响因素分析

为了探索太湖水体颗粒物散射的剖面分布特征,掌握水下散射变化机制,2008年11月对太湖3个不同深度的散射系数和后向散射系数分别进行观测.研究分析了它们随深度变化的特征;由衰减系数,计算出太湖水体颗粒物粒径分布函数(PSD)斜率值的剖面分布;根据散射系数与悬浮物浓度的相关关系,推算了悬浮物浓度及组成的剖面分布;根据水体折射指数,分析了不同深度水体散射系数的主导影响因子.在0、50、100 cm这3个深度处的颗粒物散射,分别有14%、17%、12%的样本是由藻类颗粒物主导的,35%、30%、34%是由无机颗粒物和非藻类有机颗粒物主导的,51%、53%、51%是由三者共同主导.结果表明,太湖水体的散射和后向散射系数随深度变化较小,不同湖区太湖水体总悬浮的浓度差异性很大,但是在不同剖面深度上差异较小,浓度差异较大的点基本上都出现在入湖河流旁,太湖水体颗粒物散射系数的主导影响因子除少数靠近入湖河流的样点外,大部分样点在不同剖面深度上差异较小.     

南京上空气溶胶光学特性的激光雷达观测

文章利用偏振微脉冲激光雷达对南京上空大气散射特性进行了为期一年的连续观测,同时结合MODIS卫星数据对空气中气溶胶光学特性的日季变化进行了分析研究,利用HYSPLIT模式分析了其变化的原因。研究结果表明,在春、秋、冬季,气溶胶消光后向散射比分别为48 sr,45 sr和40 sr,退偏振比分别为0.18,0.19和0.2,且气团主要来源为我国西北及北方地区;夏季,气溶胶消光后向散射比为63 sr,退偏振比为0.11,气团主要来自东南部工业污染城市以及南京周边地区;气溶胶的垂直分布有明显的季节变化趋势,低层(1 km)气溶胶光学厚度从大到小为:冬季-夏季-秋季-春季,高层(1 km)为:夏季-春季-秋季-冬季;气溶胶光学厚度有明显的日变化特征,在夏冬两季表现为早晚高,中午低;在春秋两季则为早晚低,中午高。文章对南京上空大气气溶胶的光学特性进行了详细系统的研究,对于该地区大气环境以及气候效应的研究具有重要的学术价值。     

内陆水体后向散射系数模拟研究

在利用半分析方法结合光学闭合原理模拟水体后向散射系数的过程中,参考波长的选择对最终结果有较大影响.为了得出最佳参考波长的影响因子,利用太湖、巢湖和滇池的野外实测数据,对后向散射系数进行模拟,进而分析水体的最佳参考波长与其对应的水质参数浓度之间的变化规律.同时,建立了太湖、巢湖和滇池水体的后向散射系数曲线的幂函数光谱模型,获得的光谱指数分别为2.643±0.317、 2.719±0.242、 1.638±0.534.结果表明：①以整个湖泊为研究对象时,最佳参考波长随着湖泊水体中总颗粒物浓度c_SPM、有机颗粒物浓度c_SPOM和叶绿素浓度c_CHL平均值的增大而向长波方向移动,太湖、巢湖和滇池水体的最佳参考波长分别为695、 720和730 nm;②以单个湖泊的各个样点为研究对象时,由于内陆湖泊光学特性的复杂性,最佳参考波长的影响因子存在一定差异,但c_SPM是一个共同的影响因子.此外,过高的c_CHL将削弱水质参数浓度与最佳参考波长间的规律性;③在以无机颗粒物为主的水体中,后向散射系数与总颗粒物浓度之间存在更好的相关性,如在太湖水体中,R²达到0.852.     

重庆典型灰霾天气下大气气溶胶的激光雷达探测

简要介绍了法国Losphere公司ALS300型偏振Mie散射激光雷达的基本结构、探测原理及反演算法,并通过在重庆主城区2009年11月23～27日一次典型灰霾天气条件下连续的气溶胶激光雷达探测结果分析得出,重庆冬季典型灰霾天气下PBL平均高度约为600米,AOD值在4及以上。     

研究星载IPDA激光雷达探测CO2光谱纯度

光谱纯度是积分路径差分吸收激光雷达最重要的系统参数之一,光谱纯度直接影响CO₂数据的探测精度.在模式研究中要求输入观测的CO₂数据误差小于1×10^-6,对激光器光谱纯度参数设计提出很高要求.本文采用有效吸收截面分析探测反演误差的方法,研究了由光谱纯度带来的CO₂柱浓度探测误差,并基于窄带滤波器对光谱不纯能量的抑制作用,对不同带宽的窄带滤波器进行选择和分析,从而达到降低对光谱纯度的要求,提升探测精度的目的,最后讨论了由于窄带滤波器造成的能量衰减所对随机误差的影响.结果表明：当光谱纯度为99.9%,窄带滤波器带宽1GHz,透射率为0.86,脉冲能量为100mJ时CO₂探测的系统误差小于0.084×10^-6,随机误差小于0.02×10^-6,满足探测精度要求.     

基于水体固有光学特性的太湖浮游植物色素的定量反演

基于2005-05～2005-08对太湖全湖不同湖区92个样点吸收系数、光束衰减系数、后向散射系数等固有光学特性测定与计算,选择色素浓度反演的最佳波段组合,利用反射率比建立了太湖叶绿素a,叶绿素a与脱镁叶绿素的定量反演模型.结果表明,全湖4次采样叶绿素a、脱镁叶绿素的变化范围分别为3.9～149.8μg·L^-1、均值为(38.14±28.89)μg·L^-1;0～45.8μg·L^-1、均值为(8.49±7.24)μg·L^-1,存在很大空间差异,湖心区和草型湖区的东太湖、胥口湾、贡湖湾色素浓度一般要低于其他湖区.同样吸收系数和后向散射系数也存在很大的空间差异,a_t(440)的变化范围为0.86～23.25 m^-1、均值为(6.21±3.31)m^-1,b_t(550)的变化范围0.05～2.25m^-1、均值为(0.72±0.52)m^-1,东太湖、胥口湾、贡湖湾的值要低于其他湖区.400～650nm随波长增加总吸收系数大致呈下降趋势,680nm附近存在1个峰值,峰值的强弱与水体中色素浓度有关,而到720nm以后则逐渐增加,后向散射系数随波长增加则逐渐降低.反射率比R(706)/R(682)能较好地用于太湖色素浓度的反演,叶绿素a、叶绿素a与脱镁叶绿素之和幂函数反演的决定系数R²分别达0.823、0.864 5.模型能用于包括湖面反射率受湖底和沉水植物影响的全太湖.     

基于生物光学模型的二类水体光学活性物质估算：以晋江下游河段为例

水体中各组分对光谱的吸收和散射构成了水体的固有光学特性,是生物光学模型的重要参数,是建立水质遥感半分析模型的基础.目前该方法多应用于湖泊水质监测,很少用于河流.因此, 本研究以福建晋江下游河段为例, 探讨水面下反射率R(0^-)与光学活性物质之间的关系,并建立了光学活性物质的估算模型.结果表明,利用R(0^-)₇₅₃与总悬浮物浓度、R(0^-)₇₀₂/R(0^-)₆₈₀与浮游植物色素浓度、R(0^-)₆₇₀/R(0^-)₄₂₃与CDOM吸收系数分别建立的估算模型能取得理想的效果,其决定系数分别是0.953、 0.820 5和0.621 3,对应的相对误差分别是6.1%、 21.87%和22.18%.三者中以悬浮物浓度的反演精度最高,然后依次为浮游植物色素浓度和CDOM.主要原因在于浮游植物色素的浓度相对较低,光谱信号较弱;CDOM的特征光谱波段很窄,而且该波段内的R(0^-)受到其它２种物质存在的影响.     

基于极化SAR的河流有机物污染监测研究

选择我国南方水质变化梯度较为明显的典型河流为对象,分析基于C波段极化合成孔径雷达(极化SAR)的河流水污染监测评估技术.引入了随机粗糙面电磁散射理论对污染水域的散射特性进行了建模,研究了水体污染可能对散射模型及参数的影响,分析了同步得到的极化SAR数据与水体常用污染指标的监测数据.通过比较19个采样点的后向散射系数与同步监测的水质指标,发现化学需氧量(COD)与HH和VV通道的后向散射系数比成正相关性,这与由电磁理论建立的散射模型及水体污染对散射模型参数影响的分析相符.利用最小二乘法,拟合得到了利用HH与VV通道后向散射系数比来反演化学需氧量的公式,拟合结果的相关系数达到0.90.本研究建立了利用极化SAR的HH与VV通道后向散射系数比监测水体有机物污染的模型,该模型主要通过分析同步监测数据获得,基于电磁散射理论的分析支持了该模型的有效性.     

基于微波辐射计分析低能见度的液态含水量特征

利用广州国家基本气象站2013年11月~2014年4月的能见度（Vis）、相对湿度（RH）、微波辐射计液态含水量（LPR）小时资料和云资料,分析了广州地区能见度的时间变化,以及低能见度时液态含水量变化特征.结果表明广州地区Vis<10km的出现频率为66.37%;Vis ≤ 1km只在RH ≥ 95%情况下出现,1km < Vis ≤ 2km只在RH>90%出现,Vis>5km在RH>95%区间出现频率为0,Vis>15km在RH>90%的出现频率为0;低能见度事件出现的频率高低顺序依次为早 > 晚 > 中,与相应时段低空LPR的平均值高低一致,说明低能见度事件与低空大气中高液态含水量存在一定的正相关;当Vis<10km时,大气液态水含量都处于较高的水平,在3000m以下存在一个大于0.02g/m³的高含水量层,液态含水量出现最大值的高度在1550m左右;当Vis ≥ 10km时,大气液态含水量都处于较低的水平,液态含水量出现最大值的高度大约在2000m,未出现有大于0.02g/m³的情况;广州地面低能见度过程不是低云（或低云接地为雾）过程导致的概率基本在50%以上,Vis ≤ 1km情况下LPR值基本为0（微波辐射计没有监测到液态水）,但由于RH>95%接近饱和且出现高浓度的颗粒物,说明广州地区低能见度（Vis ≤ 1km）应为雾霾混合情景.表明只有联合利用微波辐射计的液态含水量、相对湿度与颗粒物浓度等要素变化特征的综合分析才能为雾、雾霾混合与霾现象分辨提供一定的参考.     

基于多源资料天津一次雾-霾过程的边界层特征

为探究雾-霾过程的边界层特征,选取天津市2019年12月7~10日一次严重的雾-霾典型过程,采用常规自动气象站资料、环境小时浓度资料、以及微波辐射计、风廓线雷达、气溶胶激光雷达等多种观测资料及WRF-Chem源追踪方法对此次污染过程进行综合分析. 结果表明,此次雾-霾过程可明显分为雾生成、雾与霾交替、霾、霾消散等4个阶段;雾-霾天气与大气温度层结密切相关,伴随着逆温生成,相对湿度和液态水含量最大增长速率分别达13.44%/h和0.013g/(m³·h),呈爆发性增长,相对湿度快速增至92%,微波辐射资料可较好预报雾的生成;雾与霾交替出现阶段雾天气改变了边界层结构,雾层内大气呈中性状态,相对有利于污染物在雾区内扩散,PM_2.5高浓度主要出现在边界层400m以下,雾顶持续逆温抑制了污染物向上层大气扩散,造成雾区内污染物浓度加重,地面PM_2.5质量浓度为135~223μg/m³,维持中度-重度污染;雾-霾天气与垂直风场有较好的对应关系,雾与霾交替出现阶段存在低风速和较大风速(西南风带来充沛水汽)两种有利于雾维持的情况,雾顶逆温层以上风速为6~12m/s,雾层内为1~2m/s,雾的存在不利于近地面空气质量的改善;此次雾-霾过程天津本地源排放贡献为36.1%,区域输送贡献为63.9%,整个过程表现出明显的区域输送特征.     

基于生物光学模型的巢湖后向散射概率估算

后向散射概率是水面光谱的重要影响因素.利用2009年6月巢湖实测数据,基于生物光学模型在近红外波段的简化原理,通过2个近红外波段构建巢湖后向散射概率估算模型.结果表明,巢湖后向散射概率最大值为0.059,最小值为0.001 4,均值为0.023 6,巢湖西部后向散射概率总体上大于东部,并且西部的空间差异性要大干东部.此...     

水体有机和无机颗粒组分变化对散射和后向散射特性影响研究

研究颗粒物的比例构成对散射及后向散射特性的影响,对推动水色遥感的发展具有重要的意义。本文结合2017年6月和9月秦皇岛附近海域的实测数据,获取了各站位有机颗粒（POM）、无机颗粒（PIM）的浓度以及散射、后向散射等光谱参数,并进行了相关性分析。结果表明,受水体颗粒物浓度的影响,各波段比后向散射系数的变化幅度明显增大,变异系数CV最大值出现在550 nm处;通过建立散射、后向散射系数与总悬浮颗粒物浓度（SPM）以及与PIM和POM之间的关系模型发现,水体的后向散射受水体颗粒物构成影响较大,与有机、无机颗粒物浓度之间的模型精度较高,均方根误差（RMSE）的变化范围为0.0094~0.0143,模型精度在700 nm处最好;同时,分析了无机颗粒物的比例构成（PIM/SPM）对散射效率和后向散射效率的影响,得出相对于散射效率Q_be,后向散射效率Q_bbe受无机颗粒物比例构成影响最大,但是Q_bbe与PIM/SPM的相关性并不是很高,决定系数R2为0.4。